電力電子技術

電力電子系統晶片(SoC)技術的發展

鄒 應 嶼  教 授

交通大學 電力電子與晶片設計實驗室

2004825

Technical Report: TR-IC10.電力電子系統晶片(SoC)技術的發展


SoC Must Provide Simple and Fast System Integration for Product Development


1. 研究背景

隨著積體電路技術的發展,IC設計已從早期的小規模型積體電路設計(Small Scale Integration, SSI),歷經Medium Scale Integration (MSI)、大型積體電路設計(Large Scale Integration, LSI),到達大型積體電路設計(Very Large Scale Integration, VLSI),乃至於目前正在快速發展中的系統晶片設計(System on a Chip, SoC)或可程式系統晶片設計(System on a Programmable Chip, SoPC)

積體電路的製造已進入0.13微米CMOS,乃至於0.10微米,未來更朝向0.03微米前進,目前使用的Pentium IV計有5,500萬顆電晶體,估計2010年一顆單晶片可達到10顆電晶體。前瞻縮小的技術使單晶片電晶體容量每年成長約 60%,每單位製程縮小一半,理論上可得到4倍面積的成長。數百萬以上電晶體電路已可以做在同一晶片上,包含CPUMemoryDSPflash等,乃至Operating system features,形成一個完整的資訊處理系統,即所謂『晶片系統』(System-on-chip, SOC),亦可稱為『系統晶片』。此乃因IC設計的複雜度已相對加大許多,SOC研究的主軸必須包括創新系統設計、系統平台建立以及相關矽智財(SIP)的設計、驗證與整合等系統研究課題。

系統晶片設計的目標雖然是一個晶片,但其目標產品通常不是一個晶片,因此我們也可以說『系統晶片』是利用積體電路設計與製造技術達到『小型、量大、高性能、低成本、低損耗功率』產品設計的一種手段。

隨著積體電路複雜度的日益提昇,IC設計已逐漸從電路設計層次,朝向系統設計層次的發展。SOC計可以從IC設計工程師bottom-up從下到上的設計方式,也可以從系統工程師top-down從上到下的設計方式。隨著EDA設計工具的發展,以及系統層次模擬分析軟體的發展(Matlab),未來SOC計的關鍵將在於高階系統工程然才的培養

系統晶片設計從電路設計的觀點,必須整合數位、類比、乃至於功率電路的設計;從實現的觀點,必須整合硬體與軟體設計;若從系統設計的觀點,更必須整合通訊、信號處理、控制、影音處理、系統軟體設計等多方面可能必須包含的技術。

電力電子是以電能處理(electric power processing)為核心的電子技術,也是一種必須整合多項相關技術的綜效技術(synergy technology)。電力電子產品需要各式各樣的控制晶片,例如電源管理ICPWM控制ICPFC控制ICLCD驅動IC、數位音頻放大控制IC、磁碟機控制IC、馬達控制IC、伺服控制IC、電池殘電偵測IC、電池充電控制IC、電子安定器控制IC、光源控制IC等等,這些控制IC與功率IC構成一廣大的應用市場,隨著各式各樣電子產品的發展,其中不可或缺的電源供應器、能源轉換器,也隨著技術的更新,不斷的推陳出新,因此創造了廣大的商機,這樣的發展趨勢,從過去PC的發展,到目前的網路通訊,乃至於未來的資訊家電,將持續創造電力電子產業發展的榮景。 

從我國產業發展環境的觀點來審視未來全球的發展趨勢,顯示器驅動IC、電池充電與控制IC、電源管理IC、電源控制IC、電源功率IC、無線通訊射頻功率IC、小型馬達控制驅動IC、數位音頻IC、磁碟機控制IC等等,都是可結合我國電力電子、自動控制、IC設計、與半導體產業的競爭優勢,未來極具發展潛力的領域! 

2. 電力電子系統晶片設計

電力電子產品需要各式各樣的控制晶片,隨著積體電路技術的進步,這些控制晶片也從傳統的類比控制方式,演進到數位控制方式。數位式電源控制IC的發展,不僅增加了系統設計的靈活性,也簡化了電源工程師在電源控制迴路的設計工作,縮短了產品的設計時程。由於數位式電源控制IC採用數位式控制方式,因此可以更靈活與精確的實現各種電源轉換控制方法,這不僅提高了系統的效能,從系統的觀點也大幅的簡化了電源轉換系統設計的複雜度。數位式電源控制IC的另一個重要的優點,就是藉由串聯通訊介面,系統控制晶片可以很容易的達成電源監控、電源管理、系統整合等功能。

電力電子領域的SOC技術發展方向可以數位IC、類比IC、與功率IC的整合設計為基礎,發展嵌入式DSP與可程式化FPGA超大型邏輯電路的系統設計技術,以資訊家電產品為主要應用領域,整合電能處理、自動控制、網路通訊、信號處理、系統監控與診斷等技術,建立電力電子核心產品系統晶片設計的核心技術與人才培育。

系統晶片設計主要的關鍵不僅在於掌握適當的IC設計技術,更重要的是要能夠建立系統化的設計能力,著重以技術服務為導向的整體方案系統化設計技術,這應是我們在培育高科技電力電子人才學程規劃的主軸,也是未來科技發展的挑戰。

1. 多功能電力轉換器的系統晶片設計架構圖

3. 電源控制IC

高性能微處理器的發展與可攜式資訊設備的普及應用,導引了未來電源供應器的發展。由於CPU的時脈頻率愈來愈高(Pentium IV: 2GHz)為了有效的降低其散熱,必須採用更低的供應電壓,另一方面,為了提高電流變化的反應速度,電源供應器的反應速度,電源供應器也必須更接近微處理器。此外,諸如電源管理(power management)、動態電壓調整(dynamic voltage scaling)、分散式電源供應架構等等,均成為未來電源供應器設計的重要問題。簡而言之,電源控制已不再是單純的穩壓控制問題(voltage regulation problem),電源控制已成為一個必須從系統設計考量的電源管理問題(power management problem)

由於新一代高性能微處理器對電源的需求[1]-[4],電源控制IC也從傳統的單一類比控制方式[5]-[8],朝向多功能的整合型控制IC發展,例如UnitrodeInfineon均推出了同時具有功率因數修正與脈寬調變控制的多功能控制IC[9]-[10]

展望未來,應用數位/類比IC設計技術於電源控制IC之發展,將成為電源控制IC的發展趨勢,電源控制IC將朝向數位化、可程式化、與智慧化的方向發展。

2. 電源控制IC的系統架構圖

重要的關鍵研究議題包括:

4. 智慧電源系統晶片技術的發展

數位式電源控制IC的一個重要的優點是具有可程式化的特色,針對不同的應用,可以軟體方式設定不同的控制參數。這種可程式化的數位控制IC已應用於馬達控制如AngilentHCTL-1020 [11]National SemiconductorLM628 [12]-[14]等等。近年來,數位式PWM控制IC亦成為一個重要的發展議題,具有微處理器通訊介面的PWM IC [15]-[16]也開始出現。

3. 可攜式資訊設備內部需求之電源供應器

5. 馬達驅動系統晶片技術的發展

在一個先進的資訊家電系統中,馬達經常扮演著不可或缺的角色,馬達驅動系統在資訊家電的廣泛應用。馬達的應用相當廣泛,舉凡一般小型資訊設備如相機鏡頭自動對焦的壓電馬達、光碟機讀取頭的音圈馬達、光碟機的主軸馬達、影像掃描器的驅動馬達,其他如電動玩具(新力公司的愛波狗、遙控車)、汽車(雨刷、電動天線、側視鏡等)、醫療器材等等,根據1999年日本在微小馬達領域的產業調查,全世界總共銷售了約40億顆的微小馬達。隨著未來資訊家電的發展,微小馬達將具有龐大的市場發展潛力,而結合控制電路的積體化微小馬達,將成為市場主流,因此,整合微小馬達、積體電路、與控制等設計與製造技術,就成為微小馬達產業發展的重要關鍵。

近年來由於DSP、電力電子、與馬達控制技術的快速發展,數位馬達驅動已成為馬達控制技術發展的主流。多軸馬達控制系統在自動化工廠中扮演著關鍵的角色,例如機器人、CNC、紡織機、印刷機、造紙機、抽紗機等等。在晶圓製造工廠中,多軸運動控制系統也運用在多種製程設備如晶圓切割、點線機、Stepper等等。在一個包含機械平台、伺服馬達、功率轉換器、與DSP數位控制器的機電系統中,系統整合是設計的主要關鍵。單晶片DSP控制器由於具備強大的計算能力、完整的控制介面、與便宜的價格,因此成為整合機電系統的利器,藉由軟體控制技術,系統工程師幾乎可以將所有的控制功能均已軟體的方式實現,不僅具有靈活性的優點,也可將先進的適應控制方法、訊號處理技術、估計理論、智慧控制等方法應用於實際系統。

4. 數位馬達與電力轉換控制技術的晶片系統技術發展與整合架構圖 

近年來大型積體電路技術發展快速,微處理器(mP)與數位信號處理器(DSP)的性能也大幅提升,軟體控制(software control)的觀念在未來控制技術的發展將扮演更重要的角色。採用全數位控制方式的數位式馬達驅動系統具較簡單的硬體控制介面,但卻具有更靈活的軟體控制介面。採用全數位控制方式具有相當多的優點,其中影響最深遠的是電流控制迴路的數位化,數位式電流控制(digital current control)可直接產生功率級的脈寬調變訊號,這意味著與馬達特性相關的的一些關鍵控制參數,均可以軟體控制(software control)方式實現,擴展了未來自調式伺服驅動器(auto-tuning servo drive)與多軸馬達協調運動控制的發展空間。

6. SoC標準設計平台的發展

系統晶片設計的一個主要的困難在於SoC標準平台的建立,由於SoC的設計涉及製程技術、EDA發展工具、目標產品、等多項半導體基礎技術與產業的發展,其間也牽涉到商業利潤的分配,因此建立一個可共同使用的SoC發展平台並不是一件簡單的工作。SoC標準平台的建立是產品能否快速整合的關鍵,以下兩則報導,可提供參考。

日本SoC標準平台進入商業化 (20040829 )【電子工程專輯】【摘要】

日本一項為了建立系統單晶片(SoC)設計標準平台的的計畫已進入商業化階段,這項計畫也關係到整個標準設計方法、製造製程和晶圓廠的採用。此項AS-Star計畫也稱為Aspla平台,試圖把日本整合元件製造商(IDM)SoC製造商的數量降低到合理的水準。由於缺乏有效的SoC)設計平台,導致晶片設計成本居高不下,日本通產省主管資訊和通訊電子的主管Hidetaka Fukuda警告道:『日本的IDM廠商過多,而且系統單晶片業務沒有帶來利潤。試問經營沒有利潤的SoC業務,IDM如何能生存?』

Aspla計畫最初是為了在300毫米晶圓上設立90奈米晶片的標準製程。現在,各成員公司正考慮把合作擴展到65奈米製程。根據計畫,日本晶片製造商將利用標準平台開發他們自己,且具有不同技術的SoC。該方法允許他們共同負責開發成本,同時提高生產效率。 『隨著製程尺寸逐漸降低,SoC元件的設計成本飛速高漲。擁有一個標準化的設計和製程平台對於共享設計和製程資源以及降低成本都是非常重要的。』Advanced SoC Platform 公司(Aspla)總裁兼執行長Keiichi Kawate表示。這家合資公司正負責該計畫的研發。 

該計畫是由Aspla和日本半導體技術研究中心發起的。Aspla正採用合作廠商的技術開發製程,而Starc開發了針對Aspla製程最佳化的標準設計方法。 Aspla公司是由現在的10家日本半導體公司於20027月創辦的。其中,富士通、日立、松下電子、三菱電子、NEC和東芝等6家公司已經向該計畫投資1.5億日元(130萬美元),並共同負責了約100億日元的營運費用。目前,大約有150名工程師正為這個製程開發計畫工作。其它五家成員公司分別是OkiRohm、三洋電子、夏普和新力。

選擇正確的矽方案 (2004年11月23日 )【電子工程專輯】【摘要】

作者:Ron WilsonEE Times

Aspla公司是由現在的10家日本半導體公司於20027月創辦的。其中,富士通、日立、松下電子、三菱電子、NEC和東芝等6家公司已經向該計畫投資1.5億日元(130萬美元),並共同負責了約100億日元的營運費用。目前,大約有150名工程師正為這個製程開發計畫工作。其它五家成員公司分別是OkiRohm、三洋電子、夏普和新力。

設計團隊通常有四種選擇可實現系統級設計:cell-based ASIC──通常是SoC;結構化ASIC;一個或多個FPGA;或是整合標準IC。當然,這些方法並非完全不能相容。一個高度整合的SoC通常會需要結合FPGA或標準產品。結構化ASIC用戶也能使用帶有外部現成混合信號ICASIC晶片。甚至連所謂的特殊應用標準產品(ASSP),也經常使用其他晶片來延伸或修改其功能。

這些選擇為系統架構提出了有趣的最佳化問題。為實現整個計劃,設計團隊必須確實理解其設計需求,並對選擇cell-based或結構化ASICFPGA或標準化產品有清楚的看法。以下我們將針對這方面加以討論。

成本分析

Cell-based設計通常是一次收取大量費用,採用此方法的晶片每單元價格與投資額或許可以分攤在多個專案中。這種一次性收費一般被稱為NRE費用。NRE與其他的投資費用主要取決於半導體製程、所選擇的方法學、設計複雜度、設計小組的支援,以及ASIC供應商。

最簡單的例子是與ASIC供應商之間的關係。在這種情況下,整個NRE費用在專案一開始與ASIC供應商協商時就已開始計算。ASIC供應商針對cell-based設計的NRE費用將包含設計初期的協助、後端設計、IP授權、光罩與樣品、封裝與測試,以及一些由ASIC供應商預估的設計及市場風險補貼。最後的費用很難正確估計,採用成熟的0.250.18微米製程可能在100,000美元以下,但也可能會出現採用13090奈米製程的七位數設計費用。

ASIC供應商的NRE費用重點有很大一部份必須視與供應商的協議而定。其他因素還包含IC的單價、ASIC供應商涉及設計的程度、設計策略,以及ASIC供應商與客戶間的關係。而COT設計費用的問題則更加複雜,COT設計通常涉及設計承包商,而在系統級設計領域,幾乎都必須從外部取得IP使用授權。

因此,每個設計都有自己的現金需求。這些需求包含設計承包商費用、IP授權使用費、測試晶片的光罩與矽晶片採購費用、最終的光罩與樣本晶圓採購費用、封裝與測試服務費用等。除了IP授權外,其他費用很少能被攤銷在最終IC的每單元成本中。因此,在計算COT設計的所有NRE費用時,必須完整規劃整個設計程序,包括設計承包商與合作夥伴的關係,以及晶圓廠、封裝/測試廠的收費情況。

開發時間

目前業界一致同意SoC設計約需18個月的時間。這個數字可能會因設計複雜度、晶圓廠時程表而有所更動。某種程度上,複雜的設計也能頁獻一些好處。設計人員可以實現更多的功能塊,而許多設計公司也正在開發功能更複雜的產品。

一開始,你可以藉由使用完全不經改動的IP來加速設計。但實際情況是大部份會去改動它們──這有點類似潘朵拉的盒子:一旦你打開了它,很有可能會延長設計時間。另外,設計人員也很可能在整個設計周期內花費70%以上的時間來驗證功能塊。因此,功能塊的複雜度應該是根據其驗證困難度,而非設計。

由於開發時間長短對產品成功的關鍵影響,有些業者提出一象說法:你可以透過減少驗證來大幅縮短設計時間。這個論調乍聽之下很愚蠢,但在消費性市場中,決定一項產品能否成功問世的時間也許只有一到二個月。如果錯過這個時間點,再好的設計都沒有用。因此,過長的設計時間所帶來的風險,也許比具錯誤功能晶片所帶來的風險要高得多。

SoC要面對的最大也是最後的風險就是重製(respins)。一個嚴酷的事實是僅有少數的cell-based設計能在首次即出現正確結果。但這種觀察事實上並不公平,因為許多極富挑戰性的複雜設計或多或少都必需採用cell-based方法學。一些ASIC供應商能針對某些簡單的cell-based設計提出首次即成功的保障,但一些困難的設計則需要重製。如果出現的錯誤能以簡單地變更線路來更正,則重製的過程就簡單得多;但如果更正的程序涉及到改變單元位置,就會牽涉到晶圓廠的排程,有時需要幾個月的時間。

Cell-based是最難整合的一項設計方法,風險也最高。這些風險包括設計錯誤或失敗、良率或可靠性等。而經驗、工具與時間則能降低這些風險。因此,部份採取保守主義的設計小組會透過前一代製程找出實現新一代設計的方法,如此可節省時間並大幅減少各種風險。

7. 結 語

電力電子主導一些未來科技的發展,其重要性與日遽增。電力電子與微電子技術的結合將造成許多相關產業的革命,例如電動汽車、電動機車、磁浮火車、變頻器、伺服驅動器、智慧型 UPS、小型智慧能源處理系統、太陽能智慧屋、電池儲能系統、電子變壓器、高壓直流電力傳輸系統等等,這些未來產品均將與我們的日常生活息息相關,因此先進國家如美日等國均視為下一波科技競爭主要發展目標之一。


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TR-IC10.電力電子系統晶片(SoC)技術的發展

Last update: 2005/1/5